[發明專利]磁斯格明子晶格和磁渦旋晶格的量子力學模擬方法

有效

• 申請號: 201810526044.6
• 申請日: 2018-05-28
• 公開（公告）號: CN110543646B
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）人: 劉照森
• 申請（專利權）人: 劉照森
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 胡玉

本發明涉及計算物理和材料學領域，將量子理論用于模擬磁斯格明子晶格和磁渦旋晶格。包括：1、磁系統哈密頓量中的各自旋為量子力學算符；2、所有物理量都嚴格按照量子理論算出；3.采用自洽算法；4.模擬自高溫逐漸降至低溫度，以保證程序的正確收斂；5.采用周期性邊界條件；6.考慮垂直外加磁場，使因DMI和海森堡交換作用產生的螺旋狀條紋，變為斯格明子或渦旋晶格；7.在海森堡交換和DMI作用共存時，考慮Compass型各向異性作用，模擬出近鄰渦旋方向相反的斯格明子晶格。克服了微磁學和蒙特?卡洛二經典方法的不足，使得模擬十分靈活、便捷，尤其在量子尺度內，模擬出二經典方法無法算出的周期性磁結構。

技術領域

本發明屬于計算物理和計算材料學領域，尤其涉及磁斯格明子晶格和磁渦旋晶格的量子力學模擬方法。由于磁斯格明子和磁渦旋的大小常在納米量級，且需要操控的電流甚小，所以它們被視為下一代磁存儲和磁邏輯運算的；理想候選者，因而具有重要的理論和應用價值。

背景技術

數十年來，國內外研究者廣泛采用蒙特-卡洛(Monte?Carlo)[1]和微磁學(Micromagnetics)[2，3]兩種數值方法模擬磁性材料的微觀磁結構和研究其宏觀物理性質。此二法在科學研究中取得的成果及其在計算物理中的地位是舉世公認的，國內外研究者運用它們發表的文獻數不勝數，在此無需引證。

然而，這二種方法都建立于經典物理之上：磁系統中的自旋或磁矩被當做長度不變的經典矢量。這顯然會對磁系統的精確描述、計算速度和最終的計算結果產生不良的影響。

為了達到系統的平衡態，蒙特-卡洛法采用Metropolis算法，運算中的每一步都開始于旋轉各自旋的空間取向，以期降低系統的總能量；在運行數萬甚至數百萬個循環后，對系統中每個自旋的矢量值求平均，以確定其大小和空間取向；然后再計算整個系統的磁化強度、磁化率、比熱等宏觀物理量。

微磁學模擬法通常把磁體分成許多網格，每個網格的磁矩設為M_i，并假設它們的大小M_S在整個磁體中處處相等，M_i隨時間的變化規律滿足Landau-Lifshitz-Gilbert方程[2，3]。微磁學通常不考慮溫度效應，即僅研究零溫的特殊情況。為了克服這一缺陷，Skomski等人把磁矩的大小M_S以及系統參量K₁等作為與溫度相關的量[4]。但是，如何確定M_S(T)和K₁(T)二函數又成了新的問題。此外，諸如納米等有限系統，其中各處的磁矩大小顯然不同。所以，微磁學的描述是不夠完備的。

蒙特-卡洛和微磁學二方法的經典局限性可能大大影響收斂速度和模擬結果的正確性。可以發現許多文獻中用蒙特-卡洛法算出的磁結構并不具應有的對稱性。例如，國外學者考慮磁偶極矩之間的相互作用，用二法算出的圓型納米盤上的磁結構都不對稱[5，6]；還有，采用蒙特-卡洛根本無法模擬出非零溫度下無限二維正方格子上的反鐵磁斯格明子晶格[7，8]。

為克服上述二方法的經典局限性，本人近年來研發了一種新的量子模擬方法。因其使用自洽算法(Self-Consistent?Algorithm)，故簡稱為SCA方法。在此量子模型中，系統哈密頓量中的自旋或總角動量是量子力學算符，而不是經典矢量；任意溫度下各種物理量，如磁化強度、系統總能量、總自由能、熱容量等都嚴格按照量子理論算出。至今，筆者用此量子方法模擬了納米顆粒、納米線、納米管、納米盤等[9-16]，且模擬結果與實驗和理論相符[10，12]。如考慮海森堡交換作用(Heisenberg?exchange?interaction)與Dzyaloshinsky-Moriya作用(DMI)共存的磁性納米盤，模擬出了鐵磁(FM)和反鐵磁(AFM)的渦旋。